等静压技术及其应用的

等静压技术及应用
1.等静压技术 (1)
1.1等静压技术的介绍及发展情况 (1)
1.2等静压技术的应用 (3)
2.冷等静压技术 (4)
2.1冷等静压在陶瓷中的应用 (4)
2.2在粉末冶金中的应用 (6)
2.3冷等静压技术在食品加工行业中的应用 (7)
3.热等静压 (8)
3.1热等静压技术在硬质合金中的应用 (9)
3.2在粉末冶金中的应用 (11)
3.3在陶瓷中的应用 (11)
等静压技术
1.1等静压技术的介绍及发展情况
等静压成形技术是一种利用密闭高压容器内零件受到各向均等的超高压压力状态进行成形的先进制造技术，根据静压力基本方程(p=p+pgh)，盛放在密闭容器内的液体，其外加压强p。

发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压强均将发生同样大小的变化。

这就是说，在密闭容器内，施加于静止液体上的压强将以等值同时传到各点，这就是等静压成形的原理。

目前等静压技术的应用领域主要集中在粉末高压固化烧结、扩散连接及组件扩散连接等领域。

其分类也根据产品成形温度的不同分为冷等静压技术（常温，一般使用压力为100~ 630MPa）、温等静压技术（温度一般在80～120℃下，压力为300MPa左右）热等静压技术（工作温度一般为1000~2200℃，工作压力常为100~200MPa。

）。

等静压技术作为一种先进成形技术，与传统的成形技术相比具有明显的优势，主要集中在：
第一．等静压成形的产品，具有密度高而分布均匀、产品内部不存在气泡、成品晶粒间显微孔隙度很低，其力学性能与电性能均比别的成形方法好。

第二．等静压制品几乎无内应力，压坯可以直接进窑烧结，不会翘曲与开裂。

第三．制作长径比（长度与直径之比）很大的产品是轻而易举的事，而其他方法是则是事倍功半或者无法实现。

第四．制作高熔点、高硬度材料的大型产品及形状复杂的产品。

第五．等静压成形的坯体比其他成形方法制得坯体烧成温度低并且不会污染高纯度的压坯材料
由于等静压技术有着传统材料成形方法所无法比拟的优点，并且随着新材料新工艺的不断出现，使得等静压设备的需求不断增加，其产品的应用领域不断扩大，特别是1955 年美国巴特尔研究所为了研制核反应堆的材料而开发了热等静压应用技术以来，经过70~80年代，各国开始的高技术热潮也有力地推动了HIP 技术的发展，将热等静压技术作为陶瓷、高温合金、复合材料成形的一种重要的工艺手段。

在美国、日本、瑞典等国都已进行工业化生产。

为了适应新工
—HIP、浸渍H IP、烧结HIP 艺的要求, 同时开发出了高温HIP、超高压HIP、O
2
等多种特殊用途的HIP 设备。

由于HIP 技术的迅速发展, 在80 年代世界各国投入使用的HIP 设备迅速增长。

据统计, 从1955～1975 年的20 年间, 全世界HIP 设备台数共为99 台, 而1983～1988 年的5年间, 平均每年投入使用的HIP 设备达90 台。

这也从一个侧面反映了HIP 迅猛发展之趋势。

等静压产品也开始进入了重要的工程项目，例如，近海油气田的开发中，瑞典粉冶公司向北海油田提供了1500 吨HIP 产品，西欧、北美、日本和俄罗斯共同建造的2000兆瓦核聚变反应堆广泛采用了HIP 制品，其中仅第一壁的结构重量就达4100 吨。

我国等静压技术的研究起步较晚，热等静压技术的研制与开发始于60 年代。

经过30 多年的努力, 今天在研究、开发与应用方面均已形成一定的规模。

在粉冶高温合金、粉末高速钢以及高温合金铸件的致密化处理等领域，国内的有关科研机构做了大量的基础性研究，同时用于研究和生产的HIP 设备也迅速地
加了, 以不低于152%的速度从1988 年的25 台跃增至1998 年的63 台，30 多年来, 我国等静压技术虽取得了可喜的成绩和得到了迅速的发展，但在总体水平上仍落后于西方发达国家。

图1 HIP设备的应用领域
1—高温合金, 2—硬质合金, 3—陶瓷, 4—合成材料
5—扩散粘结, 6—铸件致密化, 7—Be 材, 8—其他
图2 HIP ( 包括烧结- HIP ) 设备数量的增长
1.2等静压技术的应用
等静压技术初期主要应用于粉末冶金的粉体成型；尤其是发动机整体叶盘制造，在航空航天领域具有重要的意义。

现代航空发动机的结构设计和制造技术是发动机研制、发展、使用中的一个重要环节，21世纪，高推重比发动机要求减轻结构重量，降低研制和制造成本，为满足这一苛刻的要求，必须更新制造技术和改善加工工艺，在提高发动机可靠性和维护性的同时，尽可能提高发动机的推力和推重比，减轻重量。

超高压等静压成型技术为利用特种轻质高性能材料实现发动机整体、轻量化成型提供了契机，为我国以F119、F120、EJ200 为标志第四代战斗机和大型飞机制造给予重要的技术支持。

如图3 为利用等静压技术压制的粉末钛合金叶轮。

同样，等静压技术在民用油泵等叶轮的制造上发挥出色，
显著提高叶轮在低温下的力学性能。

此外，等静压技术可广泛应用于陶瓷、铸造、原子能、工具制造、塑料和石墨等领域，在零件致密化处理和复合、连接方面具有卓越的表现。

图3等静压技术制造的粉末钛合金叶轮
2.冷等静压技术
冷等静压技术是在常温下实现等静压制的技术，通常以橡胶或者塑料作为包套的模具材料，以液体或弹性体（塑料、橡胶）为压力介质，压力可以达到600MPa。

冷等静压技术克服了普通模压技术产生形状畸变等弊端，使冷等静压的压坯密度高而且均匀，收缩量小，形状也容易控制，其应用范围已经从难容金属、硬质合金扩大到其他的粉末冶金领域。

由于冷等静压工艺成形压坯的尺寸只受高压缸内腔尺寸的限制，不需要受到普通模压压力机总压力的控制，所以采用冷等静压技术可以成形大尺寸的压坯。

利用冷等静压技术通过塑性包套的模腔或者刚性模件构成的模腔可以成形复杂形状的压坯。

2.1冷等静压在陶瓷中的应用
目前，冷等静压技术已经应用在陶瓷工业中，包括耐火砖、陶瓷管、氧化铝灯管、氧化铝研磨球等，如图4所示。

a） b）
c) d)
图4 冷等静压成形的陶瓷产品
（a 氧化铝研磨球b 钛酸铝生液管 c 高压电磁绝缘子 d 陶瓷真空灭弧室）其国内应用的产品如下表所示
表一
2.2在粉末冶金中的应用
冷等静压技术广泛用来制做尺寸大，形状复杂，性能要求严格的硬质合金轧辊，人造金刚石用顶锤，硬质合金刀具等。

还广泛用来成形高径比大的各类粉末材料，如钨、高速钢、铍、铝等棒状、管状不同尺寸形状的坯件，从而保证了这些材料的性能，发挥了粉末冶金与冷等静压技术相结合的优越性。

如图5所示为用金属粉末采用冷等静压法所压制成的各种高精度刀具预制成形毛坯。

图5 金属粉末采用冷等静压法所压制成的各种高精度刀具预制成形毛坯。

其在粉末冶金方面的应用如下表所列
表二
2.3冷等静压技术在食品加工行业中的应用
用于食品的低温杀菌和灭酶，采用冷等静压高静压处理，只对蛋白质和酶类的分子立体结构中非共价键的结合产生影响，对其它的风味物质、色素、维生素等没有影响，在杀菌和灭酶的同时保持了食品原有的味道和色泽。

如：高静压加工后的果汁保持了95％以上的维生素含量，而热加工后的果汁只有72％一78％。

开发新型食品方面，由于高静压处理对食品的蛋白质、脂类、多糖等主要成分有不同程度的作用，可以改善其功能特性，生产出属性不同的新型食品。

食品中的蛋白质经过高静压处理后发生变性，形成凝胶，其组织结构、凝胶强度、外观、口感均比热处理形成的凝胶要好。

如：鸡蛋经500MPa压力处理后产生凝固，与热处理煮熟的鸡蛋不同，味道特别鲜美，蛋黄富有弹性，且呈鲜黄色，营
养成分几乎没有变化；将鳕鱼糜、青鳕和拉丁鱼在400MPa下处理10min，均可制成外观细腻、口感很好的鱼糕；高静压还可以使牛肉组织嫩化，可以考虑利用高静压的冷加工特色，将鱼肉、猪肉、牛肉、羊肉等肉片加压处理，一方面杀菌，另一方面使之肉类组织结构和形状得到改善，生产出便于食用的方便食品(可佐以微波烹调、或简单加热)。

图6 超高压饮料、海产品等食品加工
3.热等静压
作为等静压成形技术的一种，超高压热等静压技术是在高温下利用各向均等的静压力进行压制的工艺方法，是一种重要的材料成形手段。

该方法采用金属或陶瓷包套（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等），使用氮气、氩气作加压介质，使材料热致密化。

优点在于集热压和等静压的优点于一身，成形温度低，产品致密，性能优良。

同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。

目前，热等静压主要应用于：热等静压粉末的固结，包括高速钢粉末、高温合金粉末、钛合金粉末、陶瓷材料粉末等；热等静压铸件的处理，主要包括高温合金铸件、铝合金铸件、钛合金铸件；热等静压的扩散连接，主要包括同种金属的粘结、异种金属的粘结、金属与金属氧化物的粘结以及金属基复合材料的制备。

热等静压成形技术有着极大地应用潜力，在复杂形状零件或者近净形状零件的加工、新合
金的制备、非晶态材料及复合材料的处理以及金属表面涂层等方面，将会很有前途。

在发动机制造中，热等静压机已用于粉末高温合金涡轮盘和压气盘的成型。

把高温合金粉末装入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后进行热等静压，除去包套即可获得致密的、接近所需形状的盘件。

粉末热等静压材料一般具有均匀的细晶粒组织，能避免铸锭的宏观偏析，提高材料的工艺性能和机械性能。

粉末高温合金热等静压或热等静压加锻造的盘件已在多种高推重比航空发动机上应用。

同样，热等静压还用于制造粉末钛合金风扇盘和飞机上的粉末铝合金和粉末钛合金承
力构件。

在航天器制造工业中，热等静压主要用于制造致密的碳质结构件，如火箭的舵面和固体火箭发动机喷管喉衬等。

经热等静压致密化处理可消除各种合金的精密铸件，如高温合金涡轮叶片和铸钛机匣等内部疏松和缩孔，提高性能、可靠性和使用寿命。

热等静压还是返修旧件以延长使用寿命的一种有效方法。

大多数生产型热等静压机的加热温度通常为1000～2000℃，最大压力在100～
200MPa(1000～2000大气压)之间。

a) b）
图7 热等静压的产品
（a通过热等静压复合扩散连接制备的大尺寸复合轧辊 b通过热等静压覆层技术制备的复合材料）3.1热等静压技术在硬质合金中的应用
20世纪60年代末，HIP技术在硬质合金生产中开始得到实际应用。

人们在传统的真空烧结基础上，对硬质合金进行了热等静压处理，形成了真空烧结+HIP 工艺。

该工艺将相对密度高于92%的烧结制品，在热等静压机中于压力为
80~150MPa、温度为1320~1400℃条件下处理一段时间，使制品的致密度明显提高，孔隙度降至HIP处理前的1/20~1/100,甚至更低，抗弯强度及使用寿命均明显改善。

但HIP的设备设计和控制费用昂贵，维护和操作也比较复杂，因此在硬质合金中的应用尚不普遍。

其产品应用如下：
表三
3.2在粉末冶金中的应用
粉末高速钢的研制成功被称之为冶金领域的重大事件，现已经成为高速钢的新分支，60年代中期，瑞典ASEAStora公司就采用ASP工艺生产出全致密化高
速钢锭，每个钢锭重达3吨以上，该公司建立了自己的高速钢系列，这些材料特别适合用做高性能刀具、模具和精细刀具；在粉末高温合金成形领域中由于一系列的粉末冶金技术，如无污染的雾化技术、热等静压、等温锻造、快速冷凝、机械合金化等在这个领域的应用，使其工艺相当成熟，前景一派光明，MA6000E等型号的粉末合金的高温性能，已经超过了最好的泵叶片材料
其应用的产品如下
表四
3.3在陶瓷中的应用
陶瓷材料具有力学强度大，抗氧化性强，耐磨损性好，热膨胀系数小、硬度高以及耐高温抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，因此在工业中得到了广泛的使用，机械行业中已被成功的用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件。

但是对于碳化物、氮化物和硼化物等非氧化性工程陶瓷，由于其强的共价键，使得烧结时扩散
速率非常低，因而可烧结性很差。

随着热等静压技术的不断发展，很好的克服了陶瓷材料在成形时存在的难点问题，引起了许多陶瓷工作者的极大兴趣。

热等静压技术在陶瓷材料中的应用如下
表五。